Spray-on elektriske regnbuer:Fremstilling af sikrere elektrokromisk blæk

Enhver, der har et bakspejl, der automatisk dæmpes blåt som reaktion på irriterende fjernlys, der blænder bagfra, har set en elektrokrom film i aktion.

Nu, kemikere ved Georgia Institute of Technology har udviklet en ny metode til mere sikker og, i forlængelse heraf, nemt producere disse forskydningsfilm, som ændrer deres farve ved hjælp af en lillebitte elektrisk strøm. Dette kunne gøre dem tilgængelige for mange industrier, der ikke har været i stand til at bruge dem før.

I fremstillingen, elektrokrome film er ofte belagt på andre materialer, såsom overfladen af ​​et spejl, som blæk. De er normalt baseret i opløsningsmidler, der er brandfarlige og har giftige dampe, hvilket gør dem uegnede til mange arbejdsindstillinger, der er afhængige af print- og sprøjtemaskiner til at påføre farver.

Georgia Tech-forskere har udviklet elektrokrom filmblæk, der er vandbaseret, gør dem mere sikre til diffus anvendelse i omgivelser, hvor den slags sikkerhedsforanstaltninger og beskyttelsesudstyr, der er standard ved håndtering af flygtige organiske kemikalier, ville være upraktiske.

Hverdagsmiljøer

"Hvor folk udskriver ikke altid er i kemisk sikre miljøer, " sagde John Reynolds, en professor ved Georgia Tech's Schools of Chemistry and Biochemistry and Material Science and Engineering. Så Reynolds og undersøgelsens første forfatter Brian Schmatz, hvem kom op med den vandbaserede metode, sat sig for at gøre elektrokrom filmblæk sikrere til hverdagsmiljøer.

Der var nogle forhindringer for at klare det. Det færdige produkt skulle elektrisk fungere sammenligneligt med film, der påføres i et organisk opløsningsmiddel, og også være vandafvisende på trods af den vandbaserede produktion. Schmatz' metode skulle også være logistisk og økonomisk realistisk for producenterne at implementere.

Forskerne offentliggjorde detaljer om deres løsning, og hvordan den har opfyldt kriterierne i tidsskriftet ACS Central Science den 16. august 2017. Skulle den kemiske proces udvikle sig til produktion, fremtiden kan se flere vinduer, briller med styrke, eller endda tekstiler, der skifter mellem farver og mørke nuancer med et klik på en knap eller ved hjælp af en lysdetekterende kontakt.

Sådan virker mange selvdæmpende bakspejle:Fjernlyset fra bilisten bag dig rammer en lyssensor, der påfører spejlet et mildt elektrisk felt, og det aktiverer farveændringen, eller elektrokrom, film, som skifter til en mørkere nuance.

Elektrokemisk regnbue

Reynolds laboratoriets elektrokrome film er lavet med konjugerede polymerer, farverige og elektroaktive organiske molekyler. De slipper let nogle få af deres mere løst vedhæftede elektroner, og når de gør det, deres farver skifter.

Hvis de farvede film er på en klar overflade, når farven forsvinder, overfladen bliver klar. Overfladen skal være ledende, så en lille spænding (ca. 1 volt) kan påføres for at støde elektronerne af den konjugerede polymer eller hjælpe dem med at hoppe tilbage på.

Farverne behøver ikke at være grå, blå, Brun, eller på anden måde lige snøret. "Vi kan lave enhver farve, " sagde Reynolds.

' Giftig, ''kræftfremkaldende'

På grund af tidligere trykfarvers organiske opløsningsmidler, anvendelse af elektrokrome film i fortiden er kommet med betydelige sikkerhedskrav. Deres omkostninger kan blive uoverkommelige, hvis jobbet er stort, sige, hvis en virksomhed ville dække vinduerne i en kontorbygning med en elektrokrom film.

"De fleste forskningslaboratorier bruger chlorbenzen som opløsningsmiddel. Det er ret giftigt. Det er kræftfremkaldende, også lidt flygtige, " sagde Schmatz. "Så, det er ikke noget, folk ønsker at arbejde med i stor skala."

Også, folk kan simpelthen finde lugten af ​​et organisk kemikalie på deres arbejdsplads ubehagelig. Eksempler på lugte af organiske opløsningsmidler, de fleste alle har oplevet, er petroleum, benzin, eller sprit.

Økologisk derefter vandig

Vand som opløsningsmiddel er meget sikrere, men det kan give andre udfordringer. Konjugerede polymerer fremstilles i organiske opløsningsmidler og opløses ikke i sig selv i vand. Også, film trykt af vandbaseret blæk kan vaskes ud i regnen eller udtværes ved høj luftfugtighed.

Schmatz' opfindelse kombinerer det bedste fra begge verdener ved at bruge et organisk opløsningsmiddel og et vandigt opløsningsmiddel i faser.

Først, den konjugerede polymer er fremstillet i et organisk opløsningsmiddel for at sikre kvalitetsmateriale. Det er også i overensstemmelse med den kemiske industris praksis.

"Kemiske virksomheder laver virkelig meget af denne form for forarbejdning, og det er en fordel at beholde dette som det er, så virksomhederne kan blive ved med at gøre, hvad de laver og nemmere tilføje dette produkt, " sagde Schmatz.

Men så ændrer Schmatz den konjugerede polymer - blækkets aktive ingrediens, så at sige - som normalt ikke er vandopløseligt, så det faktisk opløses i vand.

"Vi indlejrer en kemisk trigger i polymeren. Den aktiveres gennem en høj pH-vandvask, og som omdanner den organisk opløselige polymer til en vandopløselig polyelektrolyt, " sagde han. "Grunden til, at vi ønsker at gøre alt dette, er, at vi kan producere polymeren i et organisk opløsningsmiddel, men udskriv derefter polymeren fra en vandbaseret blæk."

Ultraviolet kløver

For at sikre, at filmen ikke udtværes eller løber efter udskrivning, og at den fungerer godt, når den er færdig, Schmatz spalter den tilføjede kemiske trigger fra den konjugerede polymer ved at skinne ultraviolet lys på den elektrokrome film.

Den vandopløselige kemikaliekæde bliver så til en simpel rest, som kan tørres eller skylles af. Hvad der er tilbage er en robust, ren konjugeret polymerfilm, som ikke længere kan opløses i vand eller organiske opløsningsmidler.

Reynolds forestiller sig elektrokrome film på forskellige materialer, inklusive nogle andre end glas eller plast. "Du kunne anvende dette til camouflage, for eksempel, med de rigtige tekstiler, og har en sensor tilsluttet et batteri, og få den til at skifte farverne, så den matcher den skiftende lyshed eller mørke i en soldats omgivelser."

Bortset fra elektrokromik, disse konjugerede polymerer undersøges også for trykte transistorer, solceller, kemiske og biosensorer, lysemitterende skærme og bioelektronik. Reynolds gruppe har adgang til en række leveringsmetoder til at teste anvendelsen af ​​konjugerede polymerer.

"Georgia Tech er et fokuseret ingeniøruniversitet og har applikationsmuligheder, du kan finde lige her, " sagde Reynolds. "De forskellige metoder til udskrivning eller sprøjtning er her - airbrush, klinge coater, blækstråle. Og hvis vi ikke har noget, vi kan bygge det her."